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分子生物学终结复习重点
大学分子生物学
第二章DNA
1.C值:
一种生物单倍体基因组DNA总量
C值谬误:
C值往往与种系进化的复杂程度不一致,某些低等生物却具有较大的C值
2.真核细胞DNA序列大致可分为:
a.不重复序列:
即单拷贝序列如卵清蛋白、蚕的丝心蛋白、血红蛋白、珠蛋白;b。
中度重复序列重复次数在10-104copies/genome,重复单位是0.1~1kb/copy,C0t(1/2)~0.001-0.1,如rDNA、tDNA,Alufamily,Histonegenecluster
clustergene(基因簇)tandemgene(串联基因)redundantgene(冗余基因),特点:
拷贝重复,多量;序列多为相似;排列成束;功能完全相同;具有进化的整体性,累积突变
c.高度重复序列(Highrepetitivesequence)也叫卫星DNA(MicrosatelliteDNA)2-10bp/copy、105-106copies/genome、C0t(1/2)<0.001多为串联重复排列、分布于着丝点,端粒区,结构基因两侧heterochromatin(异染色质),特点:
不编码基因、无选择压力、高度特异性
3.真核生物基因组结构特点:
①真核基因组庞大,一般远大于原核生物基因组②~~存在大量的重复序列★③~~大部分为非编码序列,(占整个基因组序列的90%以上,该特点是真核生物与细菌和病毒之间的最主要区别)④~~的转录产物为单顺反子★⑤真核基因是断裂基因,有内含子结构★⑥~~存在大量的顺式作用元件,包括启动子、增强子等⑦~~存在大量的DNA多态性(DNA多态性指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异,主要包括核苷酸多态性和串联重复序列多态性两类)⑧真核基因具有端粒结构(端粒:
真核生物线性基因组DNA末端一种特殊结构,一段DNA序列和蛋白质的复合体。
其DNA序列相当保守,一般由多个寡聚核苷酸串联在一起,人类端粒长约5~15kb,具保护DNA完整复制、保护染色体末端和决定寿命等功能。
)★
4.原核生物基因组特点:
结构简练(原核基因大部分用来编码蛋白质,少部分是控制基因表达的序列);存在多顺贩子;存在重叠基因(一个基因完全在另一个基因里面;部分重叠;两个基因只有一个碱基对是重叠的)——基因重叠是生物进化过程中自然选择的结果。
5.顺反子:
一个基因是一个顺反子,是一个功能作用单位,包含一段DNA与一个肽链合成相对应。
是在顺反测试中不发生功能互补的DNA序列。
(书后解释是:
功能基因,意为通过顺式基因序列及反式所编码蛋白试验所确定的一个遗传学单位。
P460)
多顺反子:
原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因,往往丛集在基因组的一个或几个特定部位,形成功能单位或转录单元,他们可被仪器转录成含多个mRNA的分子,成为多顺反子mRNA。
(多顺反子mRNA:
一种能作为两种或多种多肽翻译模板的信使RNA,由DNA链上的邻近顺反子所界定。
P453)
单顺反子mRNA:
只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。
顺反子假说:
基因内部应该既可以组装也可以重组。
(经典基因概念是基因是一个具有特定功能的,完整的,不可分割的最小的遗传单位,基因间可以发生组装和交换,但基因内不会发生基因的重组)
意义:
基因的顺反子概念冲破了传统的“功能、交换、突变”三位一体的基因概念,纠正了长期以来认为基因是不能再分的最小单位的错误看法
6.重叠基因:
同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息
重叠方式:
1、大基因之内包含小基因2、前后基因产生首尾重叠3、三个基因的三重重叠
重叠种类:
I类;反向重叠基因II类;同向重叠基因(异向位重叠基因、同向位重叠基因)
重叠基因的生物学意义:
1)原核生物进化的经济原则(较小的C值编码较多的基因信息)
2)遗传信息量的估算增加
3)提高蛋白质的疏水性,以增加生物体自然选择的适应性
4)丰富和发展了基因的概念(部分回答C=c)
7.DNA的一级结构:
由核苷酸以3,5—磷酸二脂键相互连接,DNA分子的四种核苷酸组成与排列顺序,表示DNA的化学构成。
DNA二级结构:
两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。
分类:
一类是右手螺旋,包括A-DNA、B-DNA等;一类是左手螺旋,Z-DNA,
*Z-DNA特点:
主链中各个磷酸根呈锯齿(Zigzag)状排列,因此称Z-构象;
Z-构象中的重复单位是二核苷酸;嘌呤与嘧啶交替排列;
Z-DNA只有一个螺旋沟,它相当于B构象中的小沟,它狭而深,大沟则不复在。
*Z-DNA存在条件:
高盐浓度NaCl的浓度超过2mol/L,MgCl浓度超过0.7mol/L;嘌呤嘧啶相间排列:
polyd(GC)n,一般不少于6个bp的嘌呤嘧啶交替排列顺序;在活细胞中如果C被甲基化为m5C则无需嘌呤嘧啶相间排列,在生理盐水浓度下就可以产生Z型;体内负超螺旋的存在;在体内多胺化合物的存在如精胺、亚胺和亚精胺,它们和阳离子一样,可和磷酸集团结合,减少负电荷的排斥作用,使B-DNA转变成Z-DNA。
*生物学意义:
1、Z-DNA的形成通常在热力学上是不利的。
局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。
2、与基因调节有关。
3、DNA螺旋上沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信息的识别。
4、Z-DNA中大沟消失,小沟狭而深——使调控蛋白识别方式也发生变化。
DNA半保留复制semi-conservativereplication:
DNA在复制过程中,每条链分别作为模板合成新链,产生互补的两条链。
这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。
因此,每个子代分子的一条链来自亲本DNA,另一条则是新合成的,这种复制方式称为DNA的半保留复制。
DNA半不连续复制semi-discontinuousreplication:
DNA复制过程中前导链的复制是连续的,而另一条链即后随链的复制是中断、不连续的。
复制子replicon:
DNA复制从起点开始向双向进行直到终点为止,每一个这样的DNA单位。
复制体replisome:
参与DNA复制的蛋白质复合物,其中至少含有DNA聚合酶及引发体primosome、引发酶与其他分子的复合物。
复制叉replicationfork:
复制时,双链DNA要解开成两股链分别进行DNA合成,所以,复制起点呈叉子形状,被称为复制叉。
DNA复制过程:
DNA解链酶,单链结合蛋白,DNA拓扑异构酶,引发酶,DNA聚合酶。
解开超螺旋→解开双链→引物合成→链的延长→切除引物,填补缺口→链接冈崎片段
复制过程所需的酶和蛋白有:
DNA聚合酶、DNA解链酶、单链结合蛋白SSB、引发酶、DNA拓扑异构酶和DNA连接酶等,真核生物的细胞核DNA复制还有端粒酶。
冈崎片段:
在DNA半不连续复制中产生的长度为1000~2000个碱基的短的DNA片段,能被连接形成一条完整的DNA链。
变性:
有螺旋结构向折叠和线团结构转变,表现为S.SDNA粘度降低、S.SDNA沉降速度加快、S.SDNA分子的A260nmUV值上升。
复性:
DNA的复性指变性DNA在适当条件下,二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象,它是变性的一种逆转过程。
DNA复制的方式:
1环状DNA的复制:
Θ复制、滚环复制(rollingcircle)——σ复制、共价延伸方式、D—loop复制(D—环复制);2线状DNA的复制:
将线性复制子转变为环状或多聚分子、在DNA末端形成发夹结构使该分子没有游离的末端、在某种蛋白质介入下在真正的末端上启动复制。
切除修复:
①碱基切除修复所有细胞都带有不同类型、能识别受损核酸位点的糖苷水解酶,能特异性切除受损核苷酸上的N-β-糖苷键,在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点,统称AP位点修复过程:
尿嘧啶-N-糖苷酶寻找错误的U并切断链挖出U,AP核酸酶内切酶把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开,并移去包括AP位点在内的小片段DNA片段,由DNA聚合酶I合成新片段,最终由DNA;连接酶把两者练成新的被修复的DNA链。
②核苷酸切除修复当DNA链相应位置的核苷酸发生损伤,导致双链之间无法形成氢键,则由核苷酸切除修复系统修复。
尿嘧啶-N-糖基酶系统:
①.DNA中dUTP的掺入②.尿嘧啶N-糖基酶系统对U的去除(组成:
尿嘧啶-N-糖基酶、AP核算内切酶、DNApoI、DNA连接酶)
重组修复recombinantrepair又称复制后修复,它发生在复制之后。
机体细胞队复制起始时尚未修复的DNA损伤部位可以先复制在修复,即先跳过损伤部位,在新合成链中留下一个对应损伤序列的缺口。
该缺口由DNA重组来修复:
先从同源DNA母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处,然后再用新合成的序列补上母链空缺。
——修复只是暂时的损伤仍在母链DNA中。
8.转座元或转座子:
transposon:
DNA上可自主复制和位移的基本单位。
原核生物转座元分类①插入序列insertionalsequenceIS:
长约1kb,是原核生物的正常组分:
F质粒两端为反向重复(invertedrepeats,IR)存在ORF,仅编码转座酶等与转座相关的蛋白,无表型效应(无可鉴定的遗传标记)IR介于15-25bp,且IR序列高度相关,但通常不完全一致;②复合转座元Tn:
由抗性基因与两侧的IS或类IS构成,通常IS序列或类IS序列,可以相同,也可以不同,其碱基差异可能为中心序列提供所需相关序列,多数只有一个具有转座活性,IS或类IS序列在Tn两端呈IR或DR排列,中心序列:
编码抗药性基因,调节基因;③TnA家族:
无IS,两端为小的IR序列(37~38bp),中心序列含有转座酶和抗性基因编码区,其转座相关的酶的作用是反式(前两类是强烈顺式作用),表现为区域优先,序列较长,>5000bp。
(TnA介导转座分为两步,分由tnpA,tnpR编码的转座酶和解离酶完成,解离顺序ser是内部的特殊位点,只有TnA家族才具有这一位点。
)
真核生物中的转座子:
a.玉米细胞内的控制因子分为两类:
一是自主性因子autonomouselement具有自主剪接和转座的功能,二是非自主性因子nonautonomouselement单独存在时是稳定的,不能转座,当在基因组中存在于非自主性因子同家族的自主性因子,它才具备转座功能,成为与自主性因子相同的转座子.b.果蝇中的转座子:
Copia转座子具有数百碱基的末端正向重复和类似于酵母Ty转座子及RNA肿瘤前病毒的结构;诱发杂种不育的P转座子(Pelement)
玉米中的控制因子:
1.Ac-Ds系统:
在Ac成分的激活下,Ds成分可以转座到新的靶点上,使靶点附近的基因失活或改变表达活性,Ds的插入也可以造成染色体的断裂;2.Spm-dSpm系统即抑制-促进-增变系统,Spm是自主性因子,又称增强子有转座、整合、解离活性,Spm和En只有不到10个碱基的差异,(Spm/En有两个基因:
tnpA包含11个外显子,转录成2500b的mRNA.tnpB含有6000bmRNA,包括ORF1+ORF2.TnpB与TnpA都能结合转座元两端行使转座功能,但TnpB的功能可被TnpA替代),它们可引起基因的插入突变,影响基因结构表达,还能导致染色体断裂。
Ac(activator):
激活因子,自主元件,具有自主转座的能力。
Ds(dissociation);解离因子,非自主元件,依靠同系统Ac的编码产物转座,其实质是Ac的缺失突变体,丧失合成转座酶的功能。
Ac-Ds系统特点:
Ac/Ds因子可随染色体复制过程传递;Ac/Ds连锁遗传,但更多表现独立遗传。
P元件与果蝇杂种不育:
P品系雄性果蝇与M品系雌性果蝇杂交时其后代尽管表型正常,但是不育,而其它形式的杂交可育。
(只有P品系中才有完整的P成分,且胞质中有胞质因子,所以P品系雌果蝇与任何配子形成合子均无转座)
P元件的组成:
全长2907bp,IR为31bp(无论是完整P成分,还是缺失的P成分),RF含有3个内含子,4个外显子,每个外显子构成1个ORF。
杂种劣育机制:
1.ORF转录产物的不同剪接方式造成不同的遗传学效应。
P果蝇体细胞中:
一种胞质因子结合外显子3,导致内含子3不能被顺利切除,这种mRNA的翻译产物能阻止P元件的转移。
P果蝇雄配子与M雌配子结合成合子后,合子中不存在胞质因子,所以内含子全部切除,这种mRNA的翻译产物即转座酶,P元件发生频繁转座,导致基因插入失活,引起生殖障碍。
P品系体细胞中,阻遏蛋白阻止P元件的第3个内含子的剪接,转座酶不能产生。
P品系生殖细胞中,P元件的4个外显子剪接在一起,产生转座酶。
转座作用的机制:
非复制型转座:
离开供体位点,转移到新的位点;复制型转座:
先复制,然后拷贝转移到新的位点。
真核生物的返座子:
由mRNA介导的DNA序列的迁移。
真核生物的假基因(pseudogene):
与正常基因结构相似,但丧失正常功能的DNA序列,往往存在于真核生物的多基因家族中。
第三章生物信息的传递
1.转录(transcription):
是指以DNA为模板,在依赖于DNA的RNA聚合酶催化下,以4种NTP(ATP、CTP、GTP和UTP)为原料,合成RNA的过程。
某一基因只以一条单链DNA为模板进行转录(不对称转录)
转录过程:
模板识别、转录起始、转录延伸、转录终止
模板识别:
RNApol与启动子相互识别并结合的过程。
(形成封闭的二元复合物开放的二元复合物)
转录起始:
启动子区解链,转录起始
流产式起始:
通常在这一过程中RNApol移动较慢,且易发生脱落,造成合成的2~9核苷酸的短RNA转录物.——决定于启动子的强弱
真实起始:
尽快释放σ亚基,转录起始复合物通过上游启动子区,生成由核心酶、DNA和新生RNA所组成的转录延伸复合物。
延伸:
σ脱离全酶(Pro)RNApol脱离转录起始复合物(Euk)
RNA的合成速度大约30~50个核苷酸/秒,与蛋白质的合成速度相近(15个AA/sec)延伸过程中的延宕现象Transcriptiondelay:
模板DNA中G/C的存在(G/C后的8~10个核苷酸)延宕作用在RNA链的终止和释放中起重要作用
终止:
在终止子(terminator)处停止转录
有义链sensestrand又称编码链codingstrand指不作模板的DNA链。
反义链antisensestrand又称模板链templatestrand指作为模板进行RNA转录的DNA链。
RNA聚合酶:
使用DNA作为模板合成RNA的酶,也称为DNA依赖性RNA聚合酶。
RNA聚合酶构成:
核心酶(coreenzyme):
2αββ’;全酶(holoenzyme)2αββ’σ
ProRNApol各亚基的功能:
α:
核心酶组建因子,启动子识别;β:
RNA合成的活性中心;β’:
与β共同构成活性中心;σ:
识别启动子,增加酶与DNA的亲和力,σ因子控制着转录的起始,一旦转录起始,σ因子将脱离RNApol再次引导新的RNApol进行转录;ρ:
参与转录终止,(在转录顺利起始后取代σ因子与核心酶组成全酶,促使RNApol在终止子处停顿1~15”,以等待ρ因子,可被N蛋白利用导致RNApol构象改变而在依赖ρ因子终止子处通读)
三元复合物ternarycomplex:
开放复合物与最初的两个NTP结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸二酯键后即转变成包括RNA聚合酶、DNA和新生RNA的三元复合物
2.启动子(promoter):
与基因表达相关的顺式作用元件,是结构基因的重要组成部分。
它是一段位于转录起始位点5’端上游区大约100~200bp以内的具有独立功能的DNA序列,能活化RNA聚合酶,使之与模板DNA准确结合并具有转录起始的特异性。
(DNA分子上结合RNApol并形成转录起始复合物的区域,通常也包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。
)
Promoter的结构
Prok.:
promoter由两个重要部分组成:
-70~-40CAP—cAMPbindingsite基因表达调控的正控制位点;-35~-10RNApol.bindingsite。
Prok.promoter结构:
1)Sextamabox(-35区):
RNApol识别位点(R位点)T85T83G81A61C69A52;2)Pribnowbox(-10区):
RNApol结合位点(B位点)T89A89T50A65A100T96;
3)转录起始位点(initiator、I位点)CA(+1)T,转录起始的第一个核苷酸90%是Pu(A/G),G﹥AE.coli的CAT法则
promoterinEukaryotes结构:
1.RNApolⅠ:
启动子分为两部分——远启动子区(决定转录频率)、近启动子区(决定转录的精确起点)。
2.RNApolⅢ:
内部启动子(位于编码序列内部),eg:
Alu序列;位于核质,编码5SrRNA,4StRNA,snRNA,16或更多亚基,polIII的启动子可能由boxA和boxB、C以及转录起点上游的TATA等构成。
3.RNApolⅡ:
核基因的转录1)转录起点:
PyA(+1)Py(capsite)——Py2CAPy52)TATAbox:
Hognessbox;TATA(A/T)A,类似于pribnowbox,-20~-30区(决定转录起点)少数基因没有TATAbox.3)远上游启动元件(UPE/UAS)——决定转录频率,其走向不影响其功能.CAATbox:
CCAAT-70~-80(类似于sextamabox);GCbox:
GGGCGG-80~-110
3.Enhancer(增强子):
真核生物中可提高邻近启动子利用率的顺式作用序列,其功能不受位置(上游或下游)和距离的影响。
增强子很可能通过影响染色质DNA-蛋白质的结构或改变超螺旋的密度而改变模板的整体结构,从而使得RNApol更容易与模板DNA结合,起始基因转录。
Enhancer的功能:
可增强转录起始效率(10~200倍甚至更高);增强作用与其所处位置和与靶位点(promoter)的距离无关;其序列构成为DR,核心序列(G)TGGA/TA/TA/T(G);
其增强作用有组织特异性(需要特定的蛋白质因子才能起作用);其增强作用无基因专一性
增强子特点:
远距离效应、无方向性、顺式调节、无物种和基因的特异性、具有组织特异性、有相位性、有的增强子可以对外部信号产生反应。
4..原核与真核生物mRNA的特征比较:
原核生物mRNA特征:
①原核生物mRNA的半衰期短,易被降解②许多原核生物mRNA可能以多顺反子的形式存在——polycistronmRNA③原核生物mRNA的5’端无帽子结构,3’端没有或只有较短的polyA结构即mRNA不需要加工即可被翻译
真核生物mRNA特征:
①真核生物mRNA的5’端有“帽子”结构②绝大多数真核生物mRNA具有多聚A尾巴;即需要加工:
加帽/加尾/甲基化/剪接/编辑等3)半衰期长:
不易被降解,受到一些因子的调控作用;通常是单顺反子结构——monocistronmRNA
5.终止子是为RNApol提供转录终止信号的一段DNA序列,需要经过转录后形成茎环结构起作用.
终止子种类:
1)不依赖ρ因子的终止子(强终止子):
IR(茎环结构)区richG/C,3’紧接着poly(U)结构——RNApol在terminator处停顿,terminator与模板的结合力下降
2)依赖ρ因子的终止子(弱终止子):
IR(茎环结构)区G/C%减少,3’紧接着poly(U)结构减少或缺失
ρ因子:
RNApol释放因子,结合mRNA5’并向3’移动,当RNApol在terminator处停顿时,ρ因子赶上并终止转录。
具有NTPase活性。
终止子作用模型:
穷追模型(P92):
当mRNA合成了~50Nt时,ρ因子结合mRNA5’端并水解ATP由5’向3’移动;当RNApol转录出terminator时,mRNA形成茎环结构,阻碍RNApol的移动;ρ因子赶上RNApol并终止转录
抗终止:
基因表达调控的手段,作用方式:
破坏终止位点RNA的茎环结构——attenuater;依赖蛋白质因子的抗终止作用——λphage
如Trp-operon在Trp充足时转录提前终止(34配对形成终止子,Trp合成酶基因不能完全转录,造成翻译引起转录的提前终止)。
Trp-operon在Trp缺乏时,顺利起始转录(23配对转录正常进行)。
6.RNA的剪接(RNAsplicing):
从mRNA前体分子中切除被称为内含子intron的非编码区,并使基因中被称为外显子exon的编码区拼接成成熟mRNA的过程。
(ppt从mRNA,tRNA和rRNA分子中切除内含子)
内含子:
可以转录,但在基因转录后,由这些间隔序列转录的部分经加工从初级转录本中被准确除去,才产生有功能的RNA的DNA序列。
Exon(外显子)是真核生物基因的一部分,它在剪接(Splicing)后仍会被保存下来,并可在蛋白质生物合成过程中被表达为蛋白质。
剪接:
自我剪切内含子分类细胞内定位
I类内含子细胞核,pre-rRNA(真核),细胞器RNA,少数细菌
II类内含子细胞器RNA,部分细菌
III类内含子细胞器RNA
I类内元的剪接:
G因子参与的自剪接过程。
(边界为5′U-G3′中部核心序列(Centralcorestrucature)游离鸟苷(GMP、GDP、GTP)的核糖3’-OH首先发动亲核攻击,打断5’exon与intron5’的磷酸二酯键,游离的5端exon的3’-OH再次攻击3端的exon,并与其5’-P成二酯键。
实质:
转酯反应)
II类内元的剪接:
索套切除,由II类intron内部A的糖基2’-OH攻击5端exon
(结构特点:
1)边界序列为5’↓GUGCG……YnAG↓;2)有6个茎环结构;有分支点顺序(branch-pointseguence)基本过程:
1)无需鸟苷的辅助,但需镁离子的存在。
2)分枝点A的2′-OH对5′端交界处的磷酸二酯键发动亲核进攻,产生了套索(lariat)结构(图13-31);3)切下的外显子1其3′-OH继续对内含子3′端的交界序列进行亲核进攻,同时释放出套索状的内含子。
)
补:
内含子不一定是非编码序列!
I类II类的某些内含子中含有开放阅读框,可产生具有三种功能的蛋白。
即:
核酸内切酶:
在DNA的靶位点剪切,使内含子得以插入;反转录酶:
涉及将内含子RNA变成DNA拷贝;成熟酶:
从前体的RNA中切掉内含子的部分(使内含子的构象稳定)。
这些蛋白可使内含子(或以其原来的DNA形式,或作为RNA的DNA拷贝)移动(mobile),使内含子可插到一个新的靶位点,这个现象叫做归巢(homing)
剪接分类:
Alternativesplicing(可变剪接)即剪接过程中选择性的保留或去除hnRNA中的某些序列(可能是存在多个polyA添加位点、或存在多个promoter位点;也可能是exon或intron的选择性保留);transsplicing(反式剪接)分子之间的一种剪接方式:
不同分子的exon相互连接形成新的分子——比较少见!
7.限制与修饰
原核生物的限制与修饰系统是寄主控制的限制-修饰现象,作用、一是保护自身的DNA不受限制二是破坏外源DNA使之迅速降解。
由两种酶
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